UT Southwestern forskare publicerade idag den första atomära strukturen av en hjärnreceptor bunden till ett läkemedel som används för att vända anestesi och för att behandla lugnande överdoser.

"Denna studie avslöjar den första högupplösta strukturella informationen för en av de mest förekommande och viktiga neurotransmittorreceptorerna i hjärnan, " sa Dr Ryan Hibbs, motsvarande författare till studien publicerad i Natur och biträdande professor i neurovetenskap och biofysik vid Peter O'Donnell Jr. Brain Institute vid UT Southwestern. "Vi är oerhört glada över det."

Många droger - både lagliga och olagliga - fungerar på GABAA-receptorn. Särskilt välkända är bensodiazepinerna, som används för anestesi under operation och ordineras för att behandla epilepsi, ångest, och sömnlöshet, han sa, och tillägger att en lösning av receptorns struktur en dag kan leda till bättre behandlingar för dessa tillstånd.

GABAA-receptorn binder till GABA (y-aminosmörsyra), den huvudsakliga hämmaren, eller lugnande, signalsubstans i den vuxna hjärnan. För att fungera korrekt, hjärnan behöver en balans av stimulerande och lugnande signaler, sa Dr Hibbs. Dysfunktion av GABAA-receptorn finns i tillstånd som kännetecknas av överdriven excitation i hjärnan, som epilepsi. Förutom bensodiazepinklassen av lugnande medel, GABAA-receptorn är ett vanligt mål för barbiturater, bedövningsmedel, och alkohol, han lade till. Alla dessa läkemedel verkar på hjärnan genom att öka aktiviteten hos GABAA-receptorn, vilket i sin tur dämpar ytterligare, eller lugnar, hjärnans aktivitet.

"Denna receptor är en farmakologisk guldgruva. var dessa droger binder och hur de utövar sina effekter hade inte förståtts på strukturell nivå, tvingar forskare att basera sin förståelse av denna receptor på beräkningsmodellering, " sa Dr Hibbs.

GABAA-receptorn har varit notoriskt resistent mot röntgenkristallografi. Den metoden – länge ansett som guldstandarden för strukturbiologi – kräver kristallisering av proteiner så att strukturer kan bestämmas baserat på röntgendiffraktionsmönster, förklarade Dr Hibbs, en Effie Marie Cain-stipendiat i medicinsk forskning.

Dr Shaotong Zhu, huvudförfattaren i denna studie och en postdoktor i neurovetenskap, följde strukturen genom kristallografi och fick kristaller som diffrakterade röntgenstrålar mycket dåligt. Parallellt, hon arbetade för att få fram strukturen med hjälp av kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), vilket till slut blev framgångsrikt. Resultaten ger de första 3D-atomstrukturerna av receptorn bunden till dess neurotransmittor GABA och till läkemedlet flumazenil, som används för att reversera anestesi och för att behandla bensodiazepinöverdoser.

Forskarna fick de högupplösta strukturerna med hjälp av universitetets 22,5 miljoner dollar kryo-EM-anläggning, där prover snabbt fryses för att förhindra bildandet av skadliga iskristaller och sedan betraktas vid cirka minus 300 grader Fahrenheit (kryogena temperaturer). UT Southwesterns anläggning – som är igång dygnet runt – är en av världens främsta anläggningar för kryo-EM-strukturbiologi.

Forskarna utarbetade metoder för att uttrycka och rena den mänskliga synaptiska GABAA-receptorn från celler i flaskor och använde elektrofysiologiska experiment, i kombination med den strukturella informationen från cryo-EM, för att testa effekterna på receptorn av signalsubstansen GABA, ett bensodiazepin (diazepam), och flumazenil.

"Vi kunde definiera hur GABA binder så selektivt till receptorn och att förklara varför läkemedel som bensodiazepiner och flumazenil - medlet som konkurrerar med dessa läkemedel på samma bindningsställe för att vända deras effekter - verkar specifikt på denna receptor, "Dr. Hibbs sa. "Konsekvenserna är långtgående för att förstå mekanismer för läkemedelsbindning och designa nya läkemedel för olika neurologiska tillstånd."